* Cấu hỡnh mạng: Dựa trờn phõn loại về cỏc thiết bị, IEEE đưa ra một số cấu trỳc liờn kết mạng cho ZigBee
* Mạng hỡnh sao (Star Topology): Mạng hỡnh sao bao gồm 1 thiết bị điều khiển trung tõm (được gọi là thiết bị điều phối mạng PAN- là một thiết bị kiểu FFD). Thiết bịđầu cuối cú thể là FFD hay RFD. Trong mạng này, tất cả thiết bịđầu cuối đều được kết nối với thiết bị điều phối. Sau khi FFD được kớch hoạt lần đầu tiờn nú cú thể tạo nờn một mạng độc lập và trở thành một bộ điều phối mạng. Mỗi mạng hỡnh sao đều phải cú một chỉ số nhận dạng cỏ nhõn của riờng mỡnh được gọi là PAN ID (PAN identifier), nú cho phộp mạng này cú thể hoạt động một cỏch độc lập. Tất cả cỏc thiết bị đầu cuối phải nằm trong phạm vi phủ súng của thiết bị đầu cuối. Mạng này cũn gọi là mạng 1 tầng
* Mạng hỡnh cõy (cluster – Tree Topology): Trong cấu trỳc mạng này, cỏc thiết bị đầu cuối cú thể trao đổi với thiết bịđiều phối hay trao đổi với thiết bị định tuyến. Thiết bị định tuyến trong mạng này cú 2 chức năng: tăng số lượng node mạng, mở rộng phạm vi định tuyến của mạng.
Đõy là kiểu mạng nhiều tầng, cỏc thiết bịđầu cuối khụng bắng cuộc phải nằm trong phạm vi phủ súng của thiết bịđiều phối trung tõm
Bất kỳ một FFD nào cũng cú thể hoạt động như là một thiết bịđịnh tuyến và cung cấp tớn hiệu đồng bộ cho cỏc thiết bị và cỏc coordinator khỏc vỡ thế mà cấu trỳc mạng kiểu này cú qui mụ phủ súng và khả năng mở rộng cao. .
* Mạng mắt lưới (Mesh Topology): Kiểu mạng mắt lưới kết hợp giữa mạng hỡnh cõy và mạng ngang hàng. Mỗi thiết bị FFD cú thể gửi dữ liệu trực tiếp cho nhau thay vỡ gửi đến bộ điều phối hay thiết bị router. Cũn cỏc thiết bị RFD vẫn truyền tin theo cấu trỳc hỡnh cõy.
CHƯƠNG 4
GIẢI PHÁP GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO CHO TRẠM VIỄN THễNG DÙNG MẠNG CẢM BIẾN KHễNG DÂY
Sử dụng mạng cảm biến khụng dõy đem lại một lựa chọn kinh tế để điều khiển và giỏm sỏt hoạt động của một hệ thống trong thời gian thực. Ngoài khả năng truyền thụng dữ liệu khụng dõy, cỏc nỳt cảm biến trong mạng này cũn cú khả năng tớnh toỏn, ghi nhớ, và cú thể thực hiện quỏ trỡnh xử lý tớn hiệu và cỏc thuật toỏn theo dừi trạng thỏi. Cỏc giao thức được xỏc định cho hai giai đoạn: giai đoạn học và giai
đoạn giỏm sỏt. Cỏc nỳt cảm biến được lập trỡnh để thực hiện cỏc cụng việc người thiết kế yờu cầu, xỏc định cỏc trạng thỏi cú thể chấp nhận hoặc cho phộp của hệ
thống. Trong giai đoạn giỏm sỏt, cỏc nỳt theo dừi cỏc trạng thỏi riờng của chỳng bằng cỏch tớnh toỏn trạng thỏi dựa trờn giỏ trị ghi nhận được, sau đú so sỏnh chỳng với giỏ trị đặt trước. Nếu tớnh chất của hệ thống thay đổi, cỏc nỳt này sẽ truyền tin cho nhau hoặc truyền tin về trung tõm để xỏc định trạng thỏi mới. Nếu trạng thỏi mới khụng nằm trong số những trạng thỏi cho phộp đó được định trước ở giai đoạn học, thỡ cảnh bỏo sẽ được đưa ra. Cỏch tiếp cận này phõn quyền quỏ trỡnh giỏm sỏt và phỏt hiện bằng cỏch phõn tỏn thụng tin trạng thỏi và quỏ trỡnh tớnh toỏn trờn khắp mạng lưới.
Việc sử dụng mạng cảm biến khụng dõy cú tiềm năng lớn, khụng những để
thu thập dữ liệu từ một hệ thống mà cũn để thực hiện bất cứ quỏ trỡnh tớnh toỏn trực tiếp nào trờn nỳt cảm biến. Điều này cú được là nhờ khả năng cảm biến, tớnh toỏn và truyền thụng của nỳt cảm biến. Tớnh năng của cỏc mạng cảm biến cú thểđược mở
rộng mạnh mẽ nếu sử dụng hiệu quả khả năng xử lý cú sẵn trờn thiết bịđể đặc tớnh hoỏ hệ thống đang được giỏm sỏt theo ứng dụng của người dựng.
Trong phạm vi luận văn, tụi sẽ tỡm hiểu, phõn tớch để đưa đưa ra giải phỏp giỏm sỏt và cảnh bỏo cho trạm viễn thụng dựng mạng cảm biến khụng dõy.
4.1. KHẢO SÁT THỰC TẾ
4.1.1 Giới thiệu chung về trạm viễn thụng
Một trạm viễn thụng điển hỡnh gồm cỏc trạm thu phỏt súng di động, hệ thống chuyển mạch, tổng đài...Với sự gia tăng nhanh chúng về số lượng khỏch hàng cú nhu cầu dịch vụ viễn thụng, đặc biệt là dựng điện thoại di động, cỏc nhà cung cấp dịch vụ nhanh chúng bổ sung cỏc trạm phỏt súng. Thụng thường, cỏc trạm viễn thụng, đặc biệt là một số trạm BTS khụng cú người trực. Bài toỏn đặt ra là làm thế
nào để tăng số trạm BTS mà khụng tăng số lượng nhõn viờn quản lý, trực trạm. Vỡ vậy việc xõy dựng hệ thống điều khiển, cảnh bỏo cỏc thiết bị của trạm từ xa là rất cần thiết và hiệu quả.
Bất kỳ một trạm viễn thụng nào của nhà cung cấp dịch vụ viễn thụng, đều phải lắp đặt thiết bị giỏm sỏt và cảnh bỏo. Đảm bảo cho hoạt động của cỏc trạm
được thụng suốt, khụng bị giỏn đoạn.
Thụng thường, một trạm viễn thụng tối thiểu cũng bao gồm cỏc thiết bị sau: Tủ BTS, tủ nguồn để chuyển nguồn điện AC thành nguồn điện DC, hệ thống ắc quy dự phũng khi ngắt điện lưới AC, hệ thống mỏy lạnh, hệ thống antenna …. Tất cả
cỏc yếu tố trờn kết hợp với một cỏi phũng đảm bảo điều kiện mụi trường (nhiệt độ
và độ ẩm...) tạo thành một trạm viễn thụng. Do đú, rất cần thiết phải giỏm sỏt và cảnh bỏo cỏc thụng số của hệ thống đến người quản trị hệ thống.
4.1.2. Cỏc thụng số cần giỏm sỏt trong trạm viễn thụng
Một số trạm viễn thụng trung tõm được đặt trong một trung tõm viễn thụng. Tại đõy, luụn luụn cú đội ngũ kỹ thuật viờn giỏm sỏt và theo dừi. Nhưng một số
lượng lớn cỏc trạm viễn thụng nhỏ lẻ được đặt trờn núc cỏc tũa nhà, hoặc đặt ở cỏc vựng đất trống; về cơ bản, khụng cú người trụng nờn cỏc trạm này rất cần thiết phải cú một bộ cảnh bỏo ngoài để giỏm sỏt tất cả cỏc hoạt động của trạm.
Một hệ thống cảnh bỏo hoàn chỉnh được thiết kế lắp đặt ở trạm viễn thụng cú nhiệm vụ giỏm sỏt và cảnh bỏo hoạt động của trạm. Hệ thống gồm nhiều module, trong đú, cú thể cú cỏc module sau: Cảnh bỏo chỏy (cảnh bỏo nhiệt và khúi), cảnh bỏo nhiệt độ, cảnh bỏo độ ẩm, cảnh bỏo đột nhập, cảnh bỏo ngập nước. Ngoài ra, cũn một số cảnh bỏo khỏc thuộc về viễn thụng, như là: cảnh bỏo mất pha, thay đổi
điều hoà luõn phiờn, cảnh bỏo ắc quy yếu, đề mỏy nổ, điều khiển thiết bị viễn thụng, cảnh bỏo và giỏm sỏt trạng thỏi vật lý của đường truyền, giỏm sỏt lưu lượng và tải của đường truyền, giỏm sỏt trạng thỏi hoạt động của thiết bị viễn thụng (khi 1 thiết bị trong hệ thống bị treo), giỏm sỏt vị trớ đặt thiết bị (do thiết bị chịu tỏc động của mụi trường, chủ quan, khỏch quan) …
Cỏc thụng số thu được tại cỏc node cảm biến được gửi về trung tõm để phõn tớch và xử lý. Trạng thỏi của nhà trạm viễn thụng được truyền thụng đều đặn về
trung tõm điều hành mạng qua đường truyền vụ tuyến, qua mạng Internet, hoặc qua mạng GSM 3G.
* Cỏc yờu cầu đối với thiết bị giỏm sỏt:
- Hệ thống được kết nối với cỏc thiết bị một cỏch linh hoạt - Cú khả năng mở rộng vựng theo dừi và giỏm sỏt
- Giao diện cho người dựng thõn thiện và dễ sử dụng - Được quản lý tập trung
4.1.3. Tỡnh hỡnh hiện nay.
Hiện nay, mạng cảm biến khụng dõy đó và đang được phỏt triển và triển khai cho rất nhiều cỏc ứng dụng khỏc nhau như: theo dừi sự thay đổi của mụi trường, khớ hậu, trong cỏc ứng dụng an ninh, điều khiển tự động trong cỏc nhà mỏy xớ nghiệp, nhà thụng minh….
Hơn nữa với sự tiến bộ của cụng nghệ điện tử, thụng tin, cụng nghệ mạch tớch hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tớnh toỏn tớn hiệu...đó tạo ra những con
cảm biến cú kớch thước nhỏ, đa chức năng, giỏ thành thấp, cụng suất tiờu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rói của mạng cảm biến khụng dõy.
Tất cả những điều trờn, làm mạng cảm biến khụng dõy được phỏt triển đến một mức độ nhất định và phục vụ rất nhiều cho cuộc sống của con người.
Bờn cạnh đú, trong xu thế phỏt triển như vũ bóo của ngành Viễn thụng, CNTT, việc phỏt triển mở rộng nhà trạm viễn thụng; trung tõm dữ liệu liờn tục phải
đầu tư và xõy dựng mới. Đi kốm với đú cần cú một nguồn nhõn lực khụng hề nhỏđể
quản lý, xử lý, ứng cứu những trường hợp đột xuất xảy ra. Thực trạng này rất cần cú một giải phỏp tổng thể giải quyết bài toàn: giảm chi phớ quản lý, tăng tuổi thọ cỏc thiết bị, giỏm sỏt hoạt động của nhà trạm và cung cấp cỏc tiện ớch quản lý. Do đú, rất cần thiết phải lắp đặt hệ thống giỏm sỏt và cảnh bỏo.
Hiện nay, một số trạm viễn thụng đó được lắp đặt thiết bị giỏm sỏt và cảnh bỏo dựng cỏc cảm biến cú dõy. Giải phỏp sử dụng mạng cú dõy cú độ ổn định và
đang được sử dụng. Tuy nhiờn, cỏc bộ cảnh bỏo cú dõy hiện tại đang sử dụng cú cỏc nhược điểm sau:
o Khụng cú giải phỏp quản lý tập trung.
o Thường dựng điện lưới, tiờu tốn năng lượng
o Khụng hoạt động độc lập với hạ tầng mạng
o Khú triển khai lắp đặt ở những nơi đó được xõy dựng sẵn
o Đối với cỏc vị trớ cần nhiều cảm biến để giỏm sỏt, dựng hệ thống cú dõy sẽ
khụng linh hoạt và gõy mất mỹ quan của phũng mỏy.
Tại Việt Nam hiện chưa cú giải phỏp giỏm sỏt và cảnh bỏo hoạt động cho trạm viễn thụng dựng cụng nghệ cảm biến khụng dõy.
Chớnh vỡ cỏc điều kiện trờn, tụi đề xuất một mụ hỡnh cảnh bỏo và giỏm sỏt dựng mạng cảm biến khụng dõy. Đõy sẽ là giải phỏp sử dụng cụng nghệ tiờn tiến, hiện đại và khắc phục được những nhược điểm của mạng giỏm sỏt dựng cụng nghệ cú dõy hiện nay.
4.2. ĐỀ XUẤT Mễ HèNH GIẢI PHÁP MỚI
Với sự phỏt triển của mạng cảm biến khụng dõy trờn thế giới, nhiều node cảm biến, cỏc module thu phỏt và điều khiển ngày càng nhiều, giỏ thành ngày càng hạ. Chuẩn ZigBee được phỏt triển nhanh chúng và được sự hỗ trợ của rất nhiều nhà sản xuất linh kiện và phần mềm, điển hỡnh như hóng Texas Intruments, Microchip….. Dẫn đến giỏ thành sản phẩm sẽ khụng cao, đỏp ứng được nhu cầu của khỏch hàng.
Với số lượng lớn cỏc trạm viễn thụng đặt trờn khắp đất nước, việc sử dụng giải phỏp cảnh bỏo và giỏm sỏt tập trung, dựng cỏc node cảm biến khụng dõy đem lại hiệu quả lớn cho cỏc nhà cũng cấp dịch vụ. Bờn cạnh đú, việc thiết kế và chế tạo một node cảm biến cũng được hỗ trợ rất nhiều từ nhà cung cấp linh kiện (từ
platform, firmware…), tạo điều kiện cho cỏc doanh nghiệp trong nước cú thể sản xuất hàng loạt.
Cỏc hiệu quả kinh tế mang lại khi sử dụng giải phỏp mới:
- Giải phỏp tiết kiệm được chi phớ nhõn cụng để vận hành cỏc trạm viễn thụng. Việc giảm chi phớ này sẽ làm tăng sức cạnh tranh của cỏc doanh nghiệp trờn thị trường.
- Quản lý tập trung cỏc trạm viễn thụng
- Giải phỏp cú thể kết hợp thờm nhiều chức năng khỏc để phự hợp với từng trạm và sự phỏt triển tương lai sau này.
Trờn cơ sở cỏc khú khăn và bất cập khi giỏm sỏt và cảnh bỏo dựng cảm biến cú dõy, tụi đề xuất mụ hỡnh giỏm sỏt và cảnh bỏo dựng cảm biến khụng dõy trong một trạm viễn thụng. Mụ hỡnh này cú dạng như sau: (Hỡnh 15 trang bờn)
Trong mụ hỡnh này, mỗi một trạm viễn thụng dựng một mạng cảm biến khụng dõy độc lập để theo dừi và giỏm sỏt. Dữ liệu theo dừi của mỗi trạm, được gửi về trung tõm điều hành khu vực để trực tiếp giỏm sỏt và điều khiển. Truyền thụng giữa cỏc trạm với nhau dựng qua đường Internet độc lập.
Hỡnh 17: Mụ hỡnh cảnh bỏo và giỏm sỏt của tập hợp cỏc trạm viễn thụng
Chi tiết của mỗi mạng cảm biến trong một trạm được cụ thể như sau:
Bộđiều phối Node ` Server USB/COM ZIGBEE ZIGBEE Node Sensor Actuator Node Sensor Actuator Cảnh bỏo (đốn,chuụng…) Điều khiển thiết bị Hỡnh 18: Mụ hỡnh cụ thể mạng cảm biến tại một trạm Trong đú:
Cỏc thiết bị xa (như cũi, đốn bỏo): sẽ được nối vào cỏc kờnh của node. Mỗi node cú thểđiều khiển 1 hoặc nhiều thiết bịđó được lập trỡnh trước.
Node: Là cỏc cảm biến khụng dõy (nhiệt độ, độẩm, bỏo chỏy, bỏo khúi, cảnh bỏo đột nhập, cảnh bỏo mất đường truyền hay mất cỏp…). Mỗi một node, ngoài cảm biến, cú thể cú thờm cơ cấu chấp hành hoạt động như một rơle để
tỏc động và điều khiển luụn thiết bị trong nhà trạm: cảnh bỏo chuụng, cảnh bỏo đốn…
Bộđiều phối: là một vi điều khiển thực hiện truyền thụng giữa Server và cỏc Node. Bộđiều phối cú thể xử lý cỏc thụng tin theo cài đặt của người lập trỡnh hoặc đúng vai trũ là trạm trung chuyển dữ liệu giữa Server và Node
o Bộđiều phối kết nối với cỏc Node bằng giao thức ZigBee
o Bộđiều phối kết nối với Server thụng qua cổng COM hoặc USB
Server: là một mỏy tớnh hoặc một mỏy tớnh nhỳng cú màn hỡnh hiển thị. Chứa phần lừi điều khiển hệ thống, cú cỏc chức năng sau:
o Giao tiếp với Bộđiều phối
- Lấy dữ liệu từ Bộđiều phối (định kỡ) - Yờu cầu lấy dữ liệu.
- Đọc thụng tin trạng thỏi thiết bị
- Ra lệnh điều khiển thiết bị
o Giao tiếp với người sử dụng (user)
- Cung cấp thụng tin về hệ thống cho người dựng - Nhận lệnh điều khiển từ người dựng
o Ngoài ra, Server cũn cú thể kết nối với GSM modem để người dựng cú thể sử dụng điện thoại di động gửi lệnh điều khiển hệ thống
4.3. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
4.3.1. Biểu đồ phõn cấp chức năng:
Hỡnh 19: Biểu đồ phõn cấp chức năng
Mạng giỏm sỏt và cảnh bỏo cú cỏc chức năng chớnh: Thu thập thụng tin, điều khiển và hiển thị.
- Thu thập thụng tin: Là nhiệm vụ chớnh của cỏc node cảm biến. Mỗi node cảm biến thu thập cỏc thụng tin về mụi trường, thụng tin an toàn, thụng tin về đường truyền và cỏc thụng tin khỏc, gửi về bộđiều phối. Cỏc dữ liệu này cú thể được xử lý bởi chớnh cỏc node hoặc bộ điều phối, sau đú được gửi đến cỏc nơi theo yờu cầu. Mạng giỏm sỏt & cảnh bỏo Thu thập thụng tin Thu thập địa chỉ IP, địa chỉMAC Thu thập dữ liệu về mụi trường Thu thập thụng tin vềan toàn Thu thập thụng tin về đường truyền Cỏc thụng tin khỏc… Hiển thị cỏc thụng tin theo yờu cầu
Kớch hoạt cỏc cảnh bỏo Điều khiển HVAC Gửi thụng tin đến trung tõm điều hành hoặc người quản lý Hiển thị Điều khiển
- Hiển thị: Module hiển thị dựng để tương tỏc với người sử dụng. Chức năng này, được cài trong PC hoặc một mỏy tớnh nhỳng. Cỏc thụng tin hiển thị được lập trỡnh sẵn và hiển thị theo yờu cầu của người sử dụng. Thụng qua màn hỡnh, quản trị hệ thống sẽ biết được tỡnh trạng của khu vực cần giỏm sỏt cũng nhưđiều khiển mọi thiết bị và thụng số như ý muốn.
- Hệ thống giỏm sỏt điều khiển: Cỏc dữ liệu thu thập từ cảm biến được xử lý tại bộđiều phối, từ mỏy tớnh nhỳng hoặc từ server (theo phõn cấp cảnh bỏo), sau đú sẽ kớch hoạt cảnh bỏo hoặc điều khiển thiết bịđúng ngắt theo yờu cầu
đó lập trỡnh sẵn.